Cuando colocas una bandeja de agua en el congelador, obtienes cubitos de hielo. Ahora, los investigadores de la Universidad de Colorado Boulder y la Universidad de Toronto han logrado una transición similar usando nubes de átomos ultrafríos.
En un estudio que aparecerá el 2 de agosto en la revista Avances científicos , el equipo descubrió que podía empujar a estos materiales cuánticos a experimentar transiciones entre "fases dinámicas", esencialmente, saltando entre dos estados en los que los átomos se comportan de maneras completamente diferentes.
"Esto sucede abruptamente, y se parece a las transiciones de fase que vemos en sistemas como el agua convirtiéndose en hielo", dijo la coautora del estudio Ana Maria Rey. "Pero a diferencia de esa bandeja de cubitos de hielo en el congelador, estas fases no existenen equilibrio. En cambio, los átomos cambian constantemente y evolucionan con el tiempo "
Los hallazgos, agregó, proporcionan una nueva ventana a los materiales que son difíciles de investigar en el laboratorio.
"Si desea, por ejemplo, diseñar un sistema de comunicaciones cuánticas para enviar señales de un lugar a otro, todo estará fuera de equilibrio", dijo Rey, miembro de JILA, un instituto conjunto entre CU Boulder y el NationalInstituto de Estándares y Tecnología NIST. "Dichas dinámicas serán el problema clave para entender si queremos aplicar lo que sabemos a las tecnologías cuánticas".
Los científicos han observado transiciones similares antes en átomos ultrafríos, pero solo entre unas pocas docenas de átomos cargados o iones.
Rey y sus colegas, en cambio, se convirtieron en nubes formadas por decenas de miles de átomos fermiónicos no cargados o neutros. Los átomos fermiónicos, dijo, son los introvertidos de la tabla periódica de elementos. No quierencompartir su espacio con sus compañeros átomos, lo que puede hacerlos más difíciles de controlar en laboratorios de átomos fríos.
"Estábamos realmente vagando por un nuevo territorio sin saber lo que encontraríamos", dijo el coautor del estudio Joseph Thywissen, profesor de física en la Universidad de Toronto.
Para navegar en ese nuevo territorio, los investigadores aprovecharon las interacciones débiles que ocurren entre los átomos neutros, pero solo cuando esos átomos chocan entre sí en un espacio confinado.
Primero, Thywissen y su equipo en Canadá enfriaron un gas compuesto de átomos de potasio neutros a solo una fracción de grado por debajo del cero absoluto. Luego, sintonizaron los átomos para que sus "vueltas" apuntaran en la misma dirección.
Tales espines son una propiedad natural de todos los átomos, explicó Thywissen, un poco como el campo magnético de la Tierra, que actualmente apunta hacia el norte.
Una vez que todos los átomos estaban en formación, el grupo los ajustó para cambiar la intensidad con la que interactuaban entre sí. Y ahí comenzó la diversión.
"Realizamos el experimento usando un tipo de campo magnético, y los átomos bailaron de una manera", dijo Thywissen. "Más tarde, volvimos a ejecutar el experimento con un campo magnético diferente, y los átomos bailaron de una manera completamente diferente."
En la primera danza, o cuando los átomos apenas interactuaron en absoluto, estas partículas cayeron en el caos. Los espines atómicos comenzaron a girar a su propio ritmo y rápidamente todos apuntaron en diferentes direcciones.
Piense en ello como si estuviera parado en una habitación llena de miles de relojes con manecillas de segunda mano todas marcadas en diferentes tiempos.
Pero eso fue solo una parte de la historia. Cuando el grupo aumentó la fuerza de las interacciones entre los átomos, dejaron de actuar como individuos desordenados y más como un colectivo. Sus giros seguían marcados, en otras palabras, pero estaban sincronizados.
En esta fase sincrónica, "los átomos ya no son independientes", dijo Peiru He, un estudiante graduado de física en CU Boulder y uno de los autores principales del nuevo artículo. "Se sienten entre sí y las interacciones impulsaránpara que se alineen entre sí "
Con los ajustes correctos, el grupo también descubrió que podía hacer algo más: retroceder el tiempo, haciendo que las fases sincronizadas y desordenadas vuelvan a su estado inicial.
Al final, los investigadores solo pudieron mantener esas dos fases dinámicas diferentes de la materia durante aproximadamente 0.2 segundos. Si pueden aumentar ese tiempo, dijo, pueden hacer observaciones aún más interesantes.
"Para ver una física más rica, es probable que tengamos que esperar más", dijo.
Otros coautores del artículo incluyen a Scott Smale, Ben Olsen, Kenneth Jackson, Haille Sharum y Stefan Trotzky de la Universidad de Toronto y Jamir Marino de JILA.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Colorado en Boulder . Original escrito por Daniel Strain. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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